松软破碎围岩回采巷道支护技术研究

2017-03-01许德新刘士卫

采矿与岩层控制工程学报 2017年1期

关键词：岩浆岩软岩工字钢

王胜，许德新，马骥，刘士卫，刘伟

(陕西正通煤业有限责任公司，陕西咸阳 713600)

松软破碎围岩回采巷道支护技术研究

王胜，许德新，马骥，刘士卫，刘伟

(陕西正通煤业有限责任公司，陕西咸阳 713600)

针对松软破碎围岩回采巷道中存在的大变形及支护困难等问题，开展了理论分析和工程实践的研究工作。首先从理论上阐述了岩浆活动及水的长期作用是引起回采巷道围岩弱化的主要原因；其次提出了相应的支护对策，对于巷道围岩以顶板变形为主的区域，采用“锚网带+锚索梁+工字钢棚”的耦合支护方式；对于巷道围岩以顶板和右帮(岩浆岩冲断条带一侧)变形为主的区域，首先将断面优化为圆弧拱形，然后采用“锚网带+锚索梁+喷浆+中心点柱”的耦合支护方式。支护参数优化后的回采巷道矿压观测结果表明：矩形巷道区域顶板下沉量不超过237mm，巷道右帮横向变形量不超过161mm；圆弧拱形巷道区域顶板下沉量不超过172mm，巷道右帮横向变形量不超过163mm。

松软破碎围岩；锚索梁；工字钢梯形梁；中心点柱

Supporting Technique of Mining Roadway with Soft and Broken Surrounding Rock

软岩巷道一般分为高应力软岩巷道和膨胀性软岩巷道两种[1]，前者是指巷道围岩本身强度较高，在低应力条件下围岩变形量不大，但在深埋高地应力条件下将会产生大变形的巷道，也称为工程软岩巷道；膨胀性软岩巷道是指巷道围岩本身强度较低，在较低应力水平条件下就会产生大变形的巷道。一般情况下，软岩巷道具有大变形、较强的残余强度和较高的承载能力的特点[2-5]。对于软岩巷道的支护，闫绪宇[6]认为软岩巷道应当采用高预应力的锚杆、锚索进行支护。文献[7-9]则提出了耦合支护控制软岩巷道围岩变形的支护理念。林健[10]等则认为软岩巷道锚杆支护应针对不同的地质和生产条件采取针对性的治理措施，比如重视顶帮支护强度的协调、对煤岩体酥软的巷道应选择护表面积和强度大的构件、采用全长预应力锚固方式、采用自稳性较好的拱形断面、有效的控水措施等等。杨永刚[10]等提出了围岩压力转移支护技术三原则，通过充分调动深部围岩自承能力，取得了较好效果。

本文基于以上研究成果，针对某矿3702轨道巷受岩浆活动及水的长期作用而引起巷道围岩松软破碎、易变形、塑形大、难支护的特点，开展此类巷道支护的研究工作。

1 工程现状

某矿3702轨道巷位于-415m水平三采区，巷道设计长度870m，沿煤层挑顶破底掘进，平均埋深371m，煤层平均厚度1.3m，平均倾角3°，巷道断面为矩形，掘宽4.2m、掘高2.6m，净宽4.0m、净高2.5m。掘巷初期采用“锚网索”支护，顶板每排布置5根锚杆，规格为φ20mm×2000mm，间排距800mm×800mm；两帮每排布置3根锚杆，锚杆规格φ18mm×1800mm，间排距900mm×800mm；顶板每间隔3排锚杆布置1排锚索，锚索规格φ15.24mm×6400mm，间排距2100mm×2400mm。巷道初期支护设计见图1。

巷道开掘后不久即在掘进工作面迎头揭露岩浆岩，并且岩浆岩与煤岩体的交界面有持续不断的涌水现象。通过查找地质资料，本区存在一条由岩浆上冲至10煤层形成的岩浆岩冲断条带，但地质资料表明7煤层并不受该冲断条带的影响，因此估计该冲断条带范围不大，地测科根据有关地质资料对7煤层冲断条带的范围进行了预计，见图2圈定的范围。技术部根据地测科的结论，优化了巷道布置，即从巷道迎头回撤40m向工作面一侧调向内错30m以避开岩浆岩冲断条带。巷道调向位置以里原掘进巷道通过建立一道密闭墙封闭(密闭墙距调向位置2.0m)，紧靠密闭墙用水泥抹砌一水池，并在水池右侧开口沿巷道右帮用水泥抹砌一水沟，将水直接排至采区回风巷。具体见图2。

图1 巷道初期支护参数

图2 巷道优化布置

虽然巷道调向内错布置避开了岩浆岩冲断条带(巷道内错后没有出现涌水现象)，但巷道围岩变形量却很大、支护也很困难，最终变形呈现出明显的不对称性特点，巷道右侧(岩浆岩冲断条带一侧)的变形量明显大于左侧，围岩具体变形情况见图3。

图3 巷道围岩变形量

2 软岩巷道围岩变形机理及支护对策

2.1 围岩变形机理

通过对巷道埋深、围岩性质、地质构造、地应力等进行分析，认为巷道围岩产生非对称性大变形主要有以下2个原因：

(1)早期的岩浆运动对其周围煤岩体产生了弱化作用。本区煤系地层形成后，发生了岩浆的侵入活动，在这一活动影响下，岩浆岩冲断条带附近煤岩体在拉、压、剪、扭及高温等复杂应力作用下产生损伤破坏，物理力学性质明显变差，具体表现在煤岩体节理裂隙增加、强度降低、自稳能力变差。当回采巷道穿过或者靠近岩浆岩冲断条带影响区域时，巷道围岩变形量将迅速增大。

(2)岩浆岩冲断条带与煤岩体接触面为良好的导水通道，水的长期作用对周围煤岩体产生了弱化作用。本区在揭露岩浆岩冲断条带后，岩浆岩侵蚀界面处呈现出明显的涌水现象，这表明岩浆岩与煤系地层的接触面是良好的导水通道，在水的长期作用下，岩浆岩冲断条带附近煤岩体强度降低、蠕变门槛值降低、塑形增大。由于重新布置后的巷道基本是沿着岩浆岩冲断条带掘进，且两者间距较小，故巷道围岩变形受其影响较大；由于空间位置的关系，靠近岩浆岩冲断条带的巷道右侧变形量明显大于巷道左侧。

2.2 支护对策

由于软岩具有较强的残余强度，巷道围岩变形后仍然具有较高的承载能力。同时针对巷道围岩表现出的膨胀性、破碎、非对称性大变形的特点，围岩控制的基本要求既能对巷道围岩的初期变形进行强有力地控制，又能将巷道围岩的最终变形控制在一定范围内。对于软岩巷道支护，应从提高支护材料强度、改善围岩应力分布状态等方面综合考虑，具体的支护原则为：

(1)采用的支护锚杆强度、刚度、延伸率等均应高于常规巷道的支护锚杆，并提高锚杆的预紧力。锚杆预应力、强度、刚度的提高均能对控制巷道围岩初期变形产生积极作用；延伸率增加能够适应巷道围岩的大变形，避免锚杆过早破断导致支护系统失效。

(2)对巷道围岩薄弱位置进行强力支护。巷道围岩损伤、破坏都是从最薄弱位置开始，通过强力支护措施能提高巷道围岩薄弱位置的力学参数，降低巷道围岩整体力学性能差异，避免局部出现过大变形。

(3)优化巷道断面形状，改善围岩应力分布状态。为方便回采巷道中设备的安设与检修、设置超前支护，回采巷道一般设计为矩形，但是矩形巷道容易引起局部应力集中和大变形现象，因此可根据巷道围岩整体的变形情况，将巷道断面形状优化为应力分布更为均匀的拱形断面，通过改善围岩应力分布状态的方法降低巷道围岩变形量。

(4)喷浆封闭巷道围岩。喷浆能够有效改善支护结构间承载力分布不均现象，并能防止围岩表面风化；同时可给巷道提供径向应力，减少主应力差，有利于减少巷道围岩变形。

(5)巷内采用积极主动的加强支护设施做辅助支护，与巷内基本支护一起控制围岩的大变形。

3 支护方案优化设计

3.1 矩形巷道支护参数

3.1.1 基本支护

以顶板变形为主的区域(且顶板右部变形略大于左部)采用“锚网带+锚索梁”的支护方式。顶板锚杆规格为φ20mm×2000mm，钢号为20MnSi，屈服强度335MPa、抗拉强度510MPa，间排距800mm×800mm，预紧力130kN；两帮锚杆规格为φ18mm×1800mm，间排距900mm×800mm，预紧力100kN；巷道顶板锚索梁采用非对称性布置方式，锚索梁轴向与巷道轴线方向平行，每一个锚索梁由3根锚索和1根托梁(由11号工字钢制作，并布置3个锚索孔，孔间距800mm)组成，锚索规格φ15.24mm×6400mm。具体支护参数见图4。

图4 巷道支护参数

3.1.2 加强支护

巷内采用工字钢棚(由12号工字钢构成)做加强支护，工字钢棚梁长4000mm、腿长2700mm。在架设好工字钢棚后，采用木板背帮背顶，确保与巷道围岩紧密接触，变被动支护为主动支护，保证架设初期即有足够的控制巷道围岩变形的能力。

3.2 圆弧拱形巷道支护参数

3.2.1 基本支护

巷道围岩非对称变形区域(以顶板和右帮变形为主的区域)，巷道形状优化为圆弧拱形，巷道宽度优化为3600mm，巷道高度不变，拱基线距底板1000mm。采用“锚网带+锚索梁+喷浆”支护，锚杆φ20mm×2000mm，间排距800mm×800mm，锚索梁采用非对称性布置方式(布置在巷道顶板和右帮)，锚索梁轴向与巷道轴线方向平行，锚索φ15.24mm×6400mm，喷浆层厚度100mm，具体支护参数见图5。

图5 巷道支护参数

3.2.2 加强支护

采用单体液压支柱穿鞋戴帽或者木支柱(直径不小于160mm)做中心点柱以加强支护，架设好后确保支柱的初撑力。

4 巷道围岩变形监测

4.1 测站布置

为对支护参数优化后的巷道围岩变形情况进行评价，在巷道内每间隔10m布置1个测站，用于观测巷道顶底板移近量及两帮移近量。

4.2 变形特点

由于巷道各测站变形规律基本相同，矩形巷道区域选取5号测站、圆弧拱形巷道区域选取35号测站的位移曲线说明巷道围岩变形规律，详见图6。同时结合矿压观测数据及现场巷道围岩实际变形情况，粗略描画出巷道围岩稳定后的变形情况，详见图7。

图6 巷道围岩变形曲线

图7 巷道围岩变形情况

从图6中可以看出：矩形巷道在掘进后的15d之内围岩变形量很大，以顶板变形为例，15d后顶板变形量为202mm，占总变形量的90%，之后变形量逐渐减小，60d后变形量为221mm，巷道围岩进入稳定状态；圆弧拱形巷道围岩变形与矩形巷道有相似的变化规律，15d后顶板变形量为125mm，占总变形量的88.7%，之后变形量逐渐减小，60d

后变形量为139.5mm，巷道围岩进入稳定状态。

5 结论

(1)3702轨道巷巷道围岩产生的非对称性大变形主要是由于早期的岩浆运动及水的长期弱化作用引起。

(2)以顶板变形为主的巷道，采用了“锚网带+锚索梁+工字钢棚”的支护方式，巷道围岩稳定以后，其顶板下沉量被控制在237mm以内，右帮(岩浆岩冲断条带一侧)横向变形量被控制在161mm以内；以顶板和右帮变形为主的巷道，巷道断面被优化为圆弧拱形，并采用了“锚网带+锚索梁+喷浆+中心点柱”的支护方式，巷道围岩稳定以后，其顶板下沉量被控制在172mm，右帮横向变形量被控制在163mm以内；与最初的巷道围岩变形相比，优化后的巷道围岩变形量明显减少。

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[责任编辑：姜鹏飞]